Dark Matter Hunters Looking Inside Rocks för nya ledtrådar


I nästan två dussin underjordiska laboratorier spridda över hela jorden, med hjälp av vätskor av vätska eller block av metall och halvledare, forskare letar efter bevis på mörk materia. Deras experiment blir allt mer komplicerade, och sökningen blir mer exakt, men förutom en mycket omtvistad signal från ett laboratorium i Italien har ingen hittat direkt bevis på det mystiska materialet som antas utgöra 84 procent av frågan i universum.

En ny studie tyder på att vi borde se djupare ut.

Quanta Magazine


författarfoto

Handla om

Originalhistoria reprinted med tillstånd från Quanta Magazine, en redaktionellt oberoende publikation av Simons Foundation vars uppgift är att förbättra allmänhetens förståelse av vetenskap genom att täcka forskningsutvecklingar och trender inom matematik och fysik och biovetenskap.

Mörk materia skiljer sig från vanlig, baryonisk materia – de saker som gör stjärnor, galaxer, hundar, människor och allt annat – genom att det inte interagerar med något annat än genom gravitation (och kanske den svaga kärnkraften). Vi kan inte se det, men fysiker är alla utom vissa är det där, skulpterande galaxer och deras vägar genom kosmos.

I många årtionden har de favoriserade kandidaterna för partiklar av mörk materia varit hypotetiska blyg saker som kallas svagt interagerande massiva partiklar eller WIMPs. Många experiment söker efter dem genom att leta efter bevis på att en WIMP har kommit fram och slog regelbunden sak om. I detta scenario skulle en WIMP knacka på en atomkärna via den svaga kraften. Den upprörda kärnan skulle då recoil och avge någon form av energi, såsom en blixt av ljus eller en ljudvåg. Att upptäcka sådana knappt märkbara fenomen kräver känsliga instrument, vanligtvis begravda djupt under jord. Detta är för det mesta så att instrumenten är avskärmade från väderlösa kosmiska strålar, vilket också kan orsaka kärnoråtervinning.

Efter att ha letat efter dessa svaga pingar i årtionden har forskare lite svårt bevis för att visa för det. Nu har ett lag fysiker i Polen, Sverige och USA en annan idé. Titta inte på germanium och xenonen och scintillatorerna i detektorerna begravdes under jordskorpan, de argumenterar: Titta på jordens jordskorpa själv. I bergrecordet, där berättelser om vårt solsystems förflutna låg begravda, kan vi hitta den fossila rekylen av spridda atomkärnor, de frusna fotavtryck av en WIMP.

"Vi rota alltid för alternativa sätt att göra saker", säger Katherine Freese, en teoretisk fysiker vid University of Michigan och arkitekten av idéerna bakom några av de befintliga detektorerna i drift.

Katherine Freese har utvecklat ett antal idéer för detektorer med mörk materia. Några av hennes idéer har förvandlats till experiment.

En underjordisk paleo-detektor skulle fungera på ett sätt som liknar nuvarande direktdetekteringsmetoder, enligt Freese och hennes kollegor. I stället för att utrusta ett laboratorium med en stor volym vätska eller metall för att observera WIMP-rekyler i realtid, skulle de leta efter fossila spår av WIMPs som slår in i atomkärnor. Som kärnrekyler skulle de lämna skador i vissa klasser av mineraler.
Om kärnan återvinner med tillräcklig kraft och om de atomer som är störda är begravda djupt i jorden (för att skydda provet från kosmiska strålar som kan mudda data), så kan rekylbanan bevaras. Om så är fallet kan forskare kunna gräva bergskanten, skrapa bort tidsskikt och utforska händelsen för länge sedan med hjälp av sofistikerade nano-imaging tekniker som atomkraftmikroskopi. Slutresultatet skulle vara ett fossilt spår: den mörka materien motparten för att hitta en sauropods fotavtryck när den flydde en rovdjur.

Små kranar

För ungefär fem år sedan började Freese hugsa om idéer för nya detektortyper med Andrzej Drukier, en fysiker nu vid Stockholms universitet, som började sin karriär studerar upptäckten av mörk materia innan han vrider sig till biofysik. En av deras idéer, utarbetade tillsammans med biologen George Church, involverade mörka materieldetektorer baserat på DNA- och enzymreaktioner.

I 2015 reste Drukier till Novosibirsk, Ryssland, för att arbeta på en biotisk detektor för prototyp som skulle hysas under jordens yta. I Ryssland lärde han sig av borrhål som borras under det kalla kriget, varav några når 12 kilometer ner. Inga kosmiska strålar kan penetrera så långt. Drukier var fascinerad.

Typiska mörka materialdetektorer är relativt stora och mycket känsliga för plötsliga händelser. De genomför sina sökningar under flera år, men för det mesta letar de efter realtid WIMP kranar. Mineraler, som är relativt små och mindre känsliga för WIMP-interaktioner, kan representera en sökning som går i hundratals miljoner år.

"Dessa stenar av sten, borttagna från de mycket djupa kärnorna, är faktiskt en miljard år gammal", säger Drukier. "Ju djupare du går, desto äldre är det. Så plötsligt behöver du inte bygga en detektor. Du har en detektor, i marken. "

Jorden har sina egna problem. Planeten är full av radioaktivt uran, vilket ger neutroner när det sönderfall. De neutronerna kan också slå kärnor runt. Freese sa att lagets första papper, som beskriver paleo-detektorerna, inte tog hänsyn till det buller som medfördes av uranförfall, men en rad kommentarer från andra intresserade forskare gjorde att de gick tillbaka och reviderade. Laget spenderade två månader på att studera tusentals mineraler för att förstå vilka som isoleras från uranförfall. De hävdar att de bästa paleo-detektorerna skulle bestå av marina evaporiter – i princip rocksalt – eller i stenar som innehåller mycket lite kiseldioxid, som kallas ultrabasiska stenar. Dessutom söker de efter mineraler som har mycket väte, eftersom väte effektivt blockerar neutronerna som kommer från uranförfall.

Halit, mer allmänt känt som bergsalt, är en ultrabasisk sten som potentiellt kan användas som en mörk materiedetektor.

Att söka efter fossila rekyler kan vara ett bra sätt att söka efter lågmassa WIMPs, säger Tracy Slatyer, en teoretisk fysiker vid Massachusetts Institute of Technology som inte var inblandad i forskningen.

"Du letar efter en kärna som hoppar för till synes ingen anledning, men det måste hoppa med en viss mängd för att du ska kunna se den. Om jag studsar en Ping-Pong-boll från en bowlingboll, kommer vi inte att se bowlingbollen flytta mycket – eller det är bättre att du kan upptäcka ganska små förändringar i din bowlingbolls rörelse, säger hon . "Det här är ett nytt sätt att göra det."

Det svåraste experimentet

Fältet som berörs skulle inte vara lätt. Forskning skulle behöva ske djupt under jorden, där kärnproverna skulle skyddas mot kosmisk och solstrålning. Och den senaste nanobildningen skulle krävas för att lösa bevis på kärnbildning.
Även om WIMPs lämnar en observerbar ärr, kommer de viktigaste problemen med paleo-detektorer att se till att de fossila spåren verkligen kommer från mörkmaterialpartiklar, säger Slatyer. Forskare kommer att behöva spendera mycket tid att övertyga sig om att rekylerna inte är neutroner, neutrinoer från solen eller något annat, sade hon.

"De gör ett bra fall att du kan gå ganska djupt för att skydda från kosmiska strålar," sade hon, "men det här är inte ett kontrollerat system. Det här är inte ett labb. Du kanske inte känner till historien om dessa bergsavlagringar mycket bra. Även om du hävdade en signal från det, skulle du behöva göra mycket mer arbete för att vara riktigt övertygad om att du inte såg någon form av bakgrund. "

Drukier och Freese sa båda paleo-detektorernas styrka kan ligga i antal. En sten innehåller massor av mineraler, var och en med atomkärnor som skulle rekylera från en marauding WIMP på olika sätt. Olika element skulle därför fungera som olika detektorer, alla inslagna i ett kärnprov. Detta skulle göra det möjligt för experimentalister att se ett spektrum av rekyler, bekräfta deras bevis och möjligen tillåta dem att dra slutsatser om WIMP-massan, sade Freese. I framtiden kan en paleo-detektor till och med ge en WIMP-post genom tiden, precis som den fossila posten tillåter paleontologer att rekonstruera livets historia på jorden.

Till Slatyer kan den långa skivan erbjuda en unik sond för Mjölkets mörka materiehalo, molnet av osynligt material som jorden svimmar igenom, eftersom solsystemet gör sin 250-miljarder omlopp runt galaxens mitt. Förstå hur Mjölkvägets mörka materiahalo distribueras kan ge insikt i sitt fysiska beteende, säger Slatyer. Det kan till och med visa om mörk materia interagerar med sig på sätt som går utöver gravitationen.

"Det här är en plats där teorin och modelleringen fortfarande är i väldigt aktiv utveckling", sa hon.

Det är dock fortfarande långt ifrån verkligheten. Freese och Drukier säger att en princip-paleo-detektor måste först visa att det kan hitta recoil spår kvar av kända partiklar som sol neutrinos. Då måste de bevisa att de kan isolera WIMP spår från dessa vanliga rekyler.

"Det är en stor förändring av perspektivet," sade Drukier. "Ska vi hitta mörk materia? Jag har tillbringat 35 år på jakt efter det. Detta är förmodligen det svåraste experimentet i världen, så vi kanske inte har tur. Men det är coolt. "

Originalhistoria reprinted med tillstånd från Quanta Magazine, en redaktionellt oberoende publikation av Simons Foundation vars uppgift är att förbättra allmänhetens förståelse av vetenskap genom att täcka forskningsutvecklingar och trender inom matematik och fysik och biovetenskap.


Mer Great WIRED Stories